细菌在咸水防冻剂中的存活增加了在火星和冰冻卫星上生存的希望

来源：天文物理

一个跨大西洋科学家小组的新研究表明：细菌可以在火星、土卫二、欧罗巴（木卫六）、冥王星等地存在的含盐化学物质中生存。在木星的卫星欧罗巴（木卫六）上发现羽流和地下海洋，在火星上发现有机物质，在土星的卫星土卫二的海洋中发现热液喷口的可能性，使人类离在其他地方发现生命更近了一步。这样的生命必须能够承受极端环境，而先前的研究表明，各种类型的细菌都可以。一些远离太阳的天体上液体海洋冰点较低，因为化学物质和盐可以起到防冻剂的作用，所以微生物必须在温度和元素的共同作用下生存。

喷流从土星的卫星土卫二喷出咸水蒸汽和冰，水、盐和温度的混合能让生命存在吗？图片：NASA/JPL–Caltech/Space Science Institute

为了放大微生物生存能力的参数，来自柏林工业大学、塔夫茨大学、伦敦帝国理工学院和华盛顿州立大学的研究人员对一种在北极永久冻土中发现的嗜盐球菌进行了测试。他们将细菌置于钠、镁和氯化钙混合物以及高氯酸盐溶液中，高氯酸盐是一种化学化合物，可以帮助火星在夏季维持液态水。柏林科技大学天文与天体物理中心的首席作者Jacob Heinz说：研究人员已经超越了传统的氯化钠溶液，因为火星上的物质远不止这些。

由于高氯酸盐在高浓度下是有毒的，研究人员想要确定它们是否、数量和浓度可能会抑制细菌的生存能力。高氯酸盐中细菌的存活率远低于其他所有溶液，尽管在零下30摄氏度(零下22华氏度)的低温下，存活率略高。亨氏解释说，对于高氯酸盐来说，最低的冰点降低——溶质降低溶液冻结温度的程度——需要总溶液质量的50%，这比其他氯化物的冰点降低要高得令人难以置信。考虑到它的毒性，细菌在高氯酸盐溶液中的低存活率并不令人惊讶。这是否意味着火星不能支持微生物生活？生命仍然有可能存在，高氯酸盐的存在“不会阻止火星或其他地方的生命”。百分之十的高氯酸盐溶液中的细菌仍然可以生长。火星的表层土壤含有不到1%的高氯酸盐，但溶液中的盐浓度与土壤中的盐浓度不同。

液体高氯酸盐溶液也可以被稀释，以增加细菌的生存能力，尽管浓度和温度必须保持平衡。主要研究微生物生态学和行星宜居性的特蕾莎·费舍尔是亚利桑那州立大学地球与空间探索学院一名博士生说：像智利的阿塔卡马沙漠(世界上最干燥的环境)和南极洲的部分地区的高氯酸盐含量相对较高。如果微生物没有进化出一种处理这种毒性的方法，我会感到惊讶。一般来说，低温会提高微生物的生存能力，但温度并不是一个“万能的”因素——微生物的类型和化学溶液的组成也决定了存活的最佳位置。研究人员发现氯化钠溶液中的细菌在室温下两周内死亡。在4摄氏度时，细菌的存活率提高了，一旦温度达到零下15摄氏度(5华氏度)，几乎所有的细菌都存活了下来。

木星卫星欧罗巴地下海洋丰富的盐和怀疑，在盐水到达表面的场合，这是暴露在高能粒子被困在木星的辐射带,把盐沉积在表面从白色到淡黄色棕色。图片：NASA/JPL–Caltech

NaCl的冰点(-21摄氏度/ -5.8华氏度)高于其他盐，在镁和氯化钙溶液中的细菌在零下30摄氏度(零下22华氏度)有很高的存活率。这并不奇怪，因“所有的反应，包括杀死细胞的反应，在较低的温度下都较慢，但是在高氯酸盐溶液的较低温度下细菌的生存能力并没有增加多少，而在氯化钙溶液中较低的温度可以显著提高细菌生存能力。结果表明，三种常用的盐水溶剂也存在差异。氯化钙(CaCl2)中的细菌存活率明显低于氯化钠(NaCl)和氯化镁(MgCl2)在4到25摄氏度之间的细菌存活率，但较低的温度提高了这三种细菌的存活率。研究人员对这些细菌进行了多次冻融循环，从25摄氏度(77华氏度)到50摄氏度(-58华氏度)不等。

根据火星上的地理位置，火星的表面温度可以经历一些非常剧烈的变化，包括昼夜变化和季节性变化。火星上的平均温度约为-60摄氏度(-76华氏度)，两极温度降至-125摄氏度(-193华氏度)。因此，为了生存细菌需要能够忍受极端的波动。一般来说，盐度溶液可以提高冻融存活率，细菌在压力下会产生休克反应。它们制造特定的蛋白质，帮助它们调整、生存和应对有害环境。添加10%的氯化钠会使微生物的死亡率从20%降低到7%，并增加冻融循环的数量，细菌可以维持在70到200之间。细菌制造稳定的蛋白质作为对恶劣环境的冲击反应，但是细菌能产生的冲击蛋白质只有这么多。

不同盐-氯化钠(NaCl)、氯化镁(MgCl2)和氯化钙(CaCl2)中细菌的存活率。一般来说温度越低，它们存活的时间就越长。图片：J. Heinz et al